Источники реактивной мощности на базе управляемых реакторов и коммутируемых конденсаторов

ЛЕКЦИЯ

Реактор, управляемый тиристорами. Наиболее гибким средством компенсации реактивной мощности является компенсатор с реактором, управляемым тиристорами, который обычно состоит из комбинации реакторов, управляемых тиристорными вентилями по 6-или 12-фазной схеме, и постоянной шунтовой конденсаторной батареи (конденсаторная батарея может отсутствовать в случае большой зарядной мощности линии электропередачи). Реакторы состоят из однофазных блоков. Для иллюстрации принципов подавления гармоник при соединении реакторов в трехфазные схемы, вначале представлено описание работы однофазного устройства.

Однофазный реактор. Реактор коммутируется синхронно с питающим напряжением с помощью тиристорного вентиля, состоящего из двух тиристоров, включенных встреч­но-параллельно. Синхронная коммутация реактора может быть осущест­влена только, если тиристорный вентиль переключается в проводящее состояние в каждый положительный и отрицательный полупериод в мо­менты после прохождения напряжением максимумов, но не позже мо­ментов перехода напряжения через нуль. В каждый полупериод реактор остается включенным, пока ток, проходящий через него, не снизится до тока удержания тиристора, после чего вентиль запирается. Диаграмма мгновенных значений напряжения и тока представлена на рис.1

Рис.1 Характерные кривые мгновенных значений напряжения и тока реактора, управляемого тиристорами

Момент включения вентиля обычно описывается углом отпирания α, отсчитываемым от перехода кривой напряжения через нуль. Угол прово­димости вентиля σ, как и значение тока реактора, зависит от угла отпира­ния и, когда значение α составляет 180°, реактор не включается. В об­щем случае ток, протекающий через реактор, отличается от синусоидаль­ного, и может быть разделен на основную и высшие гармоники по формулам разложения в ряд Фурье. Основная и высшие гармоники тока есть нелинейные функции угла отпирания.

Реактор с 6-фазной схемой управления. Реактор, управляемый тиристорами по 6 -фазной схеме, состоит из трех реакторов, соединенных в треугольник (рис.2) или в звезду. Для управления ти­ристоров требуется 6 управляющих импуль­сов. Рабочее напряжение тиристоров составляет до 4-6 кВ. Тиристоры соединяются последова­тельно, образуя вентильное плечо, пиковое напряжение которого может лежать в диапазоне от единиц до десятков кВ.

Рис.2 Реактор, управляемый тиристорами по 6-фазной схеме

Для анализа работы трехфазного реактора предполагается, что три реактор­ных блока идентичны, приложенные напряжения симметричны, комму­тация реакторов в положительные и отрицательные полуволны симмет­рична и углы отпирания тиристоров равны. Вместе с основными гармо­никами токи в реакторах содержат все канонические гармоники. Гармо­ники с номерами (6n+1) (1, 7, 13-я и т. д.) образуют токи прямой по­следовательности; составляющие с номерами (6n+3) (3, 9, 15-я и т.д.) образуют токи нулевой последовательности и составляющие с номерами (6n+5) (5, 11-я и т. д.) образуют токи обратной последовательности. Токи нулевой последовательности замыкаются в треугольнике, образованном реакторами, а токи прямой и обратной последовательности попадают в сеть.

Канонические гармоники для данной схемы имеют номера (6n± 1), где n = 1, 2, 3... В реальных схемах реакторные блоки не идентичны, а линейные напряжения не идеально симметричны, что в определенной степени влияет на состав гармоник тока. В дополнение к указанным выше составляющим будут протекать токи обратной последовательно­сти основной частоты, а также токи прямой и обратной последователь­ности с номерами гармоник (6n+3). Содержание этих гармоник в нор­мальных режимах мало.

Если коммутация реактора несимметрична относительно положитель­ного и отрицательного полупериодов, то ток реактора содержит полный спектр гармоник, включая постоянную составляющую, которая может привести к насыщению трансформатора связи и дополнительной генерации гармоник. При соединении реакторов в звезду отсутствует контур для замыкания токов нулевой последовательности и может потребоваться дополнительно установка фильтров.

Реактор с 12-фазной схемой управления. Реактор, управляемый тиристорами по 12-фазной схеме, состоит из двух 6-фазных блоков, питаемых от двух вторичных обмоток трансформатора связи, одна из вторых соединена в треугольник, а другая - в звезду (рис.3).

Каждый трехфазный реактор соединен в треугольник для замыкания гармонических составляющих тока с номерами 3, 9, 15 и т. д. Оба реак­тора управляются от одного регулятора, поскольку углы отпирания для вентилей обоих реакторов равны. Так как тройки напряжений питания сдвинуты, благодаря соединениям вторичных обмоток

трансформатора, на 30°, гармонические составляющие тока с номерами 5, 7, 17, 19 и т.д. (т. е. гармоники с номерами 6(2n- 1) ± 1 для n = 1, 2, 3...),

Рис.3 Реактор, управляемый тиристорами по 12-фазной схеме

генерируемые двумя трехфазными реакторными блоками, создают противоположные магнитодвижущие силы, уничтожающиеся в трансформаторе. Уничтожение гармоник имеет существенное значение, поскольку уменьшает общую генерацию гармоник в сеть до уровня, при котором не требуется дополнительной фильтрации.

Канонические гармоники для данной схемы имеют номера (12n±1) где n = 1, 2, 3... Для формирования управляющих импульсов вентилей двух трехфазных реакторных блоков необходимы две раздельные системы цепей синхронизации.

Системы регулиро­вания компенсаторов с 6- и 12-фазной схемой управления реактора принципиально одинаковы и состоят из измерительных органов напряже­ния и тока, элемента сравнения сигнала с уставкой, линеаризующей цепи и одной или более цепей синхронизации.

Компенсаторы с реакторами, управляемыми тиристорами, являются весьма гибкими устройствами в отношении изменений их статических и динамических характеристик: эквивалентного реактивного сопротивле­ния (статизма), напряжения уставки, коэффициентов и постоянных времени, так как они определяются настроечными параметрами регуля­тора. Тем самым система регулирования может быть оптимизирована для достижения быстрого отклика компенсатора на внезапные измене­ния напряжения сети. Кроме вариации сопротивления сети должно быть учтено влияние близости других компенсаторов во избежание возможного самораскачивания.

Компенсатор с 12-фазной схемой управления обладает большей пере­грузочной способностью потребления реактивной мощности, чем ком­пенсатор с 6-фазной схемой. Так как уровень гармоник уменьшается внутренними схемными средствами, то реакторы могут быть рассчитаны на

номинальный уровень потребления реактивной мощности при угле проводимости тиристоров менее 180°. При необходимости угол может быть увеличен до 180°, т. е. до состояния полной проводимости.

Насыщение трансформатора дает возможность дополнительного по­требления реактивной мощности.

Компенсаторы с 12-фазной схемой управления используются также для регулирования напряжений в высоковольтных кабельных линиях электропередачи. Для этих применений требуется только потребление реактивной мощности. Поэтому компенсаторы для кабельных линий состоят только из трансформатора связи и реактора, управляемого тиристорами по 12-фазной схеме.

Компенсатор с управляемым тиристорами реактором – трансформатором. Компенсатор с управляемым тиристорами реактором-трансформа­тором состоит из реактора-трансформатора в сочетании с постоянной шунтовой конденсаторной батареей.

Реактор-трансформатор. Реактор-трансформатор представляет собой специальную разновидность реактора, управляемого по 6-фазной схеме, разработанную для снижения стоимости блока трансформатор-реактор. Это трансформатор с сопротивлением рассеяния, равным 1 отн. ед., обычно рассчитанный на довольно высокий уровень напряжения насыщения.

Для применений в сетях высокого напряжения реактор-трансформатор может иметь схему соединения звезда—треугольник или треугольник—звезда, а в сетях сверхвысокого напряжения — только звезда с заземленной нейтралью — треугольник.

Эквивалентное сопротивление реактора-трансформатора изменяется путем закорачивания вторичных обмоток тиристорными вентилям. Тиристорные вентили, используемые для этой цели, соединяются, как вторичные обмотки, в звезду или треугольник.

Рис.4 Схема реактора-трансформатора и кривые мгновенных значений напряже­ний и токов

Схема реактора-трансформатора с соединением обмоток звезда с заземленной нейтралью—треугольник представлена на рис.4. Пер­вичные обмотки соединены в звезду с заземленной нейтралью, а вторич­ные обмотки и тиристорные вентили соединены в треугольник. Управ­ляющие импульсы тиристорных вентилей синхронизированы от соответ­ствующих фазных напряжений на стороне первичной обмотки, а углы отпирания одинаковы для всех трех вентилей.

Если значение угла отпирания находится между 150 и 180°, то в про­извольный момент времени проводит только один вентиль, обеспечивая протекание тока в своей фазе и через две другие фазные обмотки. Пер­вый ток ограничивается сопротивлением рассеяния, а второй — удвоен­ным сопротивлением рассеяния и равен половине первого. Таким обра­зом, ток в данной обмотке состоит из трех импульсов в каждую половину, причем больший импульс соответствует интервалу проводимости своего вентиля, а два меньших — интервалам проводимости вентилей двух других фазных обмоток. Кривые мгновенных значений напряжений и токов показаны на рис.

Если угол отпирания лежит в интервале от 120 до 150°, то интервал проводимости каждого вентиля частично перекрывает интервалы проводимости других вентилей. Когда два вентиля проводят одновременно, они обусловливают короткое замыкание во всех обмотках, а если проводит один вентиль, то он обусловливает непосредственное короткое

замыкание только в своей обмотке. Соответственно, в каждый полупериод ток состоит из пяти сегментов: два сегмента в окрестности переходов тока через нуль равны кривой тока, соответствующей полной синусоиде; один сегмент посредине полуволны является частью той же кривой, но сдвинутой вниз (усеченной) согласно начальным условиям протекания тока, и два промежуточных сегмента соответствуют полным кривым тока в двух других фазах, но с уменьшенной вдвое амплитудой и сдвинуты вниз в соответствии с начальными условиями протекания тока.

Когда угол отпирания составляет 120°, то кривая тока имеет форму полной синусоиды. Таким образом, сопротивление реактора-трансформатора может изменяться в полном диапазоне путем изменения угла отпирания в диапазоне от 120 до 180 °.

Во всех случаях ток будет состоять из основной и высших нечетных гармоник. Однако, благодаря специальному соединению тиристорных вентилей, токи третьей и нечетных гармоник, кратных трем, не будут генерироваться при условии идентичности сопротивлений, симметрии напряжений и управляющих импульсов.

Компенсатор с коммутируемыми конденсаторами. Компенсатор с коммутируемыми конденсаторами состоит только из батареи конденсаторов, коммутируемой тиристорами, и расщепленной на ряд блоков одинаковой мощности для достижения ступенчатого регулирования равными долями. Компенсатор этого типа используется как дискретно регулируемый источник реактивной мощности в слу­чаях, когда такое регулирование напряжения считается удовлетвори­тельным.

В основной схеме данного типа компенсатора с целью уменьшения скорости изменения тока через конденсатор используется последова­тельно включенный реактор. Тиристорный вентиль обычно располага­ется между реактором и конденсаторной батареей так, что ток, проте­кающий через вентиль, ограничивается при коротком замыкании одного из элементов. Для анализа коммутационных переходных процессов предположим, что конденсаторная батарея подключена к источнику напряжения бесконечной мощности (рис.5).

Рис.5 Схема коммутируемого конденсатора и характерные кривые переходных процессов при коммутации:

1 - момент включения; 2 - момент выключения

Если управляющие импульсы не подаются на управляющие электроды тиристоров, конденсатор остается выключенным.

Когда управляющий импульс переводит тиристор в проводящее состояние, конденсаторная батарея подключается. В моменты изменения направления тока выключается другой тиристор вентиля, поддерживая вентиль в проводящем состоянии. Обычно это производится с помощью последовательности управляющих импульсов. Когда последовательность импульсов прекращается, вентиль проводит до тех пор, пока ток не снизится до значения, равного току удержания тиристора. В этот момент вентиль отключается, оставляя конденсатор заряженным. Если в момент введения вентиля в работу питающее напряжение отличается от остаточного напряжения на конденсаторе, то будут протекать токи, уравнивающие напряжение. Это явление сопровождается высокочастотными колебаниями, постепенно затухающими со временем.

На рис.5 показаны коммутационные явления и кривые мгновенных значений напряжений и токов для трех случаев, когда мгновенное напряжение системы: а) равно, б) меньше, в) выше остаточного напряжения на конденсаторе.

Данный тип компенсатора состоит из конденсаторов, коммутируемых тиристорами, трансформатора связи и системы регулирования.

Компенсатор комбинированного типа. Компенсаторы комбинированного типа включают два вида регулируемых реактивных элементов: управляемые реакторы и коммутируемые конденсаторы. Обычно для сглаживания регулировочной характеристики при ступенчатом регулировании конденсаторной батареи на два-четыре коммутируемых конденсаторных блока используется один управляемый реактор равной мощности. Таким образом, выдача реактивной мощности регулируется непрерывно от номинального значения до нуля. Сглаживающий реактор потребляет реактивную мощность своего номинального значения. Если требуется дополнительное потребление реактивной мощности, могут быть установлены коммутируемые реакторы.

Единственным фазоуправляемым элементом установки является сглаживающий реактор. Однако генерация им гармоник невелика вследствие малого значения его мощности. Тем не менее, коммутируемые конденсаторные батареи обычно настраиваются для фильтрации соответствующих гармоник до заданного уровня.

Скорость реакции комбинированного компенсатора на резкие изменения напряжения та же, что и для других типов компенсаторов. Однако параметры регулятора должны быть согласованы с параметрами системы, т.е. должны учитывать сопротивление сети, близость других компенсаторов и другие влияющие обстоятельства.

Что касается перегрузочной способности, то данный тип статического компенсатора обладает тем преимуществом, что в режимах перенапряжения регулятор может отключить все конденсаторные батареи и

подключить все имеющиеся реакторы. Кроме того, насыщение трансформатора является фактором, способствующим дополнительному потреблению реактивной мощности. Если имеется перегрузочный реак­тор, предназначенный для снижения кратковременных перенапряжений, то он может быть использован для расширения рабочего диапазона ком­пенсатора.

Комбинированные компенсаторы обладают низкими потерями, так как мощность сглаживающего реактора меньше мощности реакторов, применяемых в других типах компенсаторов с тиристорным управле­нием. Это является преимуществом компенсаторов комбинированного типа в случаях, когда потери оказываются существенным фактором стоимости.

Описанные в данной главе основные схемы статических ком­пенсаторов, могут быть использованы для регулирования напряжения на вводах 110/220 кВ тяговых подстанций.

Наиболее рациональным, с точки зрения снижения уровня высших гармоник, было бы использование компенсаторов с фазоуправляемыми реакторами по 12-фазной схеме. Однако такая схема требует 2 трехфазных реакторных блока, соединенных по схеме треугольник, и специальный трехобмоточный трансформатор связи. Поэтому более дешевым представляется вариант использования компенсаторов с фазоуправляемыми реакторами по 6-фазной схеме посредством оснащения имеющихся шунтовых реакторов тиристорными системами плавного регулирования тока. Комбиниро­ванная схема, сочетающая фазоуправляемые реакторы с коммутируемыми кон­денсаторами, обеспечивает большую гибкость в отношении регули­рования пониженных и повышенных напряжений и характеризуется низкими потерями. Все компенсаторы с тиристорным управлением обладают высокой гибкостью к изменению их рабочих характерис­тик. В связи с достаточно большой зарядной мощностью ВЛ 220 кВ потребность в комбинированных схемах ограничена. Конденсаторные батареи необходимы для исключения пониженных уровней напряжения в некоторых утяжеленных режимах, в частности, при пропуске пакета тяжеловесных поездов.

Лекция последняя.

Компенсированные и импульсные выпрямители

1. Обычные выпрямители имеют коэффициент мощности меньше 1.

Выпрямительная нагрузка имеет индуктивный характер

U₁

I₁

1. Улучшением показателей работы выпрямителей может быть достигнуто включением в схему выпрямления дополнительных устройств, обеспечивающих снижение обмена реактивной энергией индуктивного характера с питающей сетью. Это может быть реализовано подключением к первичной или вторичной обмоткам ПТ конденсаторов и LC фильтров. Врезультате происходит компенсация реактивной энергии в питающей сети. Такие выпрямители называются компенсационными.
2. Использование устройств принудительной коммутации в схемах выпрямления (напр. конденсаторной коммутации) или полностью управляемых СПП.(запирающих тиристоров или силовых транзисторов – другой способ снижения уровня обмена реактивной энергией с источником питания. Посредством опережения выключения СПП в плечах выпрямительной схемы можно обеспечить уменьшение угла фазового сдвига основной гармонической составляющей тока. Такой способ получил название секторного регулирования выпрямителей. При этом способе решается лишь задача снижения фазового сдвига между напряжением и первой гармоникой тока, но не обеспечивается снижение искажения формы тока.

Выпрямители с секторным регулированием

1.

2.

3.

-дает отставание по фазе i1(1) от U1,

-дает опережение по фазе i1(1) от U1,

и - позволяет получить совпадение по фазе i1(1) и U1.

полууправляемый мост VT1,VT2,VD1,VD2

VT1’ и VT2’-вспомогательные коммутирующие тиристоры,

Cк - коммутирующий конденсатор.

Импульсные выпрямители

Другим эффективным способом повышения коэффициента мощности является способ на основе многократного включения и выключения СПП в каждом плече схемы выпрямителя в течение одного периода напряжения питающей сети. На основе модуляции длительности включенного и отключенного состояния в каждой фазе формируется ток заданной формы с требуемым сдвигом фазового угла основной гармоники.

Схема замещения однофазного мостового выпрямителя с эквивалентным механическим коммутатором.

Коммутация на стороне переменного тока.

Возьмем четыре различные состояния коммутатора:

Замкнуты

1QF1 и 4QF2 Uc(t)

2QF1 и 3QF2 -Uc(t)

1QF1 и 3QF2 0

2QF1 и 4QF2 0

Состояния коммутатора сменяются с тактовой частотой

,

где f – частота,

N – кратность тактовой частоты.

Ток на стороне коммутатора i2(t)

C2L2 – фильтр пробка

- коэффициент

заполнения,

tu – длительность включенного состояния,

Tp – период fp,

- изменяется от 0 до1 при m=1 по синусоидальному законную

Изменяя коэффициент заполнения и коэффициент модуляции m можно плавно регулировать Ud, в том числе переводить его в область отрицательных значений (генераторный режим потребителя).

Схема замещения импульсного однофазного мостового выпрямителя с коммутацией на стороне постоянного тока.

Коэффициент мощности 1,…

Дата добавления: 2014-01-06